用于原子干涉仪的集成光学系统技术方案

本发明专利技术公开了一种用于原子干涉仪的集成激光系统，属于基于原子干涉仪的精密测量技术领域。本系统包括主体框架（10）及设置在主体框架（10）上的激光发生组件（20）、调制分束组件（30）、稳频组件（40）和光纤耦合器组件（50）；激光发生组件（20）、调制分束组件（30）和光纤耦合器组件（50）依次交互；激光发生组件（20）、稳频组件（40）闭环交互。本发明专利技术一方面解决了现有的原子干涉仪光学系统的功能需求与集成化及稳定性之间的矛盾；另一方面解决了现有的原子干涉仪光学系统中构成拉曼光的双频成分的光强比例缺乏远程调节手段的问题。

【技术实现步骤摘要】
用于原子干涉仪的集成光学系统
本专利技术属于基于原子干涉仪的精密测量
，尤其涉及一种用于原子干涉仪的集成激光系统。
技术介绍
基于激光冷却和囚禁中性原子技术发展起来的原子干涉仪技术，已经被应用于重力、重力梯度、转动等惯性物理量的精密测量领域。简要来说，原子干涉仪利用频差等于原子两个下能级超精细劈裂的一对激光(或称为一束双频激光，在原子物理领域称之为拉曼光)对被激光冷却的(热运动极其微弱的)原子进行分束、反射以及合束操作，并将空间依赖的激光相位写入原子的态叠加相位，最终通过测量原子的态叠加相位得到原子在空间中的运动状态从而计算出参考系的重力或转动信息。光学系统作为实用化原子干涉仪的重要组成部分，需要满足集成化、轻量化、鲁棒性等要求。迄今为止，研究人员及工程师们已经研制出用于实用化原子干涉仪的光学系统，如文献(Aportablelasersystemforhigh-precisionatominterferometryexperiments,M.Schmidt等，AppliedPhysicsB,第102卷，11-18页，2011年)。该光学系统采用了四个模块以实现重力测量所需的冷却光、回泵光、拉曼光以及探测光，占用了19英寸机柜中的四层机位，集成度和重量控制都不理想。而且据文中所述，尽管采用了气囊进行减震，在冰雪路面上的运输仍然导致了光纤输出30％的下降，这与其主体框架的不稳定性有很大关系。此外，该光学系统中构成拉曼光的双频成分的光强比例缺乏远程调节的手段，而该光强比例的稳定性直接决定了测量结果的稳定性，因此无法在实验室外恶劣环境中实现光强比例的反馈锁定，不利于进行野外实地测量。为了提高光学系统的集成度和稳定性，有研究人员提出并实现了一种简化的光学系统方案，即去掉了原子的二维预冷却(物理领域称为二维磁光阱或2D-MOT)功能和原子喷泉功能(不令原子先上抛再下落，而是直接原地释放)，如文献(Acoldatompyramidalgravimeterwithasinglelaserbeam，Q.Bodart等，Appl.Phys.Lett.第96卷,134101页，2010年)以及文献(Realizationofacompactone-seedlasersystemforatominterferometer-basedgravimeters,J.Fang等，OpticsExpress,第26卷，1586-1596页，2018年)。然而，由原子干涉仪的测量原理可知，对于三脉冲原子干涉仪，原子干涉条纹的相移(同噪声水平下等效于最终的测量灵敏度)与在测量过程中原子的自由飞行时间T的平方成正比，公式表示为其中keff为激光的波矢量。由此可知，在相同尺寸的干涉区域内，释放型原子干涉仪的测量灵敏度仅为喷泉型原子干涉仪的1/4。而去掉二维预冷却装置又成倍地降低了冷原子的制备速度，延长了测量耗费的时间，也导致测量灵敏度的下降(测量灵敏度反比于测量总时间的平方根)。因此，上述简化方案是以牺牲原子干涉仪的测量灵敏度为代价的，难以满足高灵敏度测量的需求。由此可见，在满足高灵敏度冷原子干涉仪的功能需求的同时，如何提高光学系统的集成度以及稳定性是一项有待解决的技术难题。
技术实现思路
本专利技术的目的就在于克服现有技术存在缺点和不足，提供一种用于原子干涉仪的集成激光系统。本专利技术的目的是这样实现的：具体地说，本系统包含主体框架及设置在主体框架上的激光发生组件、调制分束组件、稳频组件、光纤耦合器组件；激光发生组件、调制分束组件和光纤耦合器组件依次交互，激光发生组件的出射激光一部分经过调制分束组件分成若干路光束并对各路光束的频率、强度进行调制控制，各路激光通过光纤耦合器组件耦合进光纤并输出，最终得到原子干涉仪所需的所有激光；激光发生组件和稳频组件闭环交互，激光发生组件的出射激光另一部分经过稳频组件获得频率参考信号并反馈给激光发生组件进行激光频率锁定与控制。本专利技术具有下列优点和积极效果：①光学系统的主体框架由一整块材料加工而成，结构上包含有基板和侧壁，基板和侧壁连成一体；从力学角度分析，这种连体结构可以极大提高侧壁的强度，可以提高安装于侧壁之上的光纤耦合器的位置和角度的稳定性，同时侧壁对于基板也起到加固作用，减少自重及外力作用下的形变量。②光学组件与器件安装于基板的侧面，基板上设置有过孔或传播装置使得光束或电缆可以在基板两侧之间传播；这种双面光路结构在相同的面积上可容纳双倍于传统单面光路的光学组件与器件，提高了系统的集成度并且减小了占用体积和重量。③激光器、激光调制器等有源器件采用散热面向上的倒置安装方式，散热面通过导热-散热器件向外传热，而不与基板直接接触并传热；与传统的向基板散热的方案相比，该方案可以降低基板的温度及温度梯度，提高光学系统的热稳定性。④双频激光发生组件中，利用压控相位延迟器和检偏器组合来改变双频激光中两个成分的光强比例，与传统的通过手动旋转固定相位延迟片(波片)来调节光强比例的方案相比，该方案可以对该光强比例进行远程的实时反馈锁定，对于在实验室外恶劣环境中开展相关精密测量具有重要意义。总体来说，本专利技术一方面解决了现有的原子干涉仪光学系统的功能需求与集成化及稳定性之间的矛盾，提供一种既能满足原子干涉仪高灵敏度测量需求又具有很高集成度和稳定性的光学系统；另一方面解决了现有的原子干涉仪光学系统中构成拉曼光的双频成分的光强比例缺乏远程调节手段的问题。附图说明图1为本光学系统结构示意图；图2为“H”型主体框架的剖面示意图；图3为“凹”字型主体框架的剖面示意图；图4为激光器21、激光调制器31的倒置安装示意图；图5为激光发生组件20结构示意图；图6为调制分束组件30结构示意图；图7为稳频组件40结构示意图；图8为实施例示意图。其中：10—主体框架，11—基板，12—侧壁，13—光学-电气接口；20—激光发生组件，201、202—A型、B型激光发生组件21—激光器，211、212……21N—第1、2……N激光器，N是自然数，1≤N≤5；22—双频激光发生组件，2201、2202—A型、B型双频激光发生器件221—A型双频激光发生器，231—B型双频激光发生器，222—压控相位延迟器，223—检偏器；30—调制分束组件，31—激光调制器，311、312……31M—第1、2……M激光调制器，M是自然数，1≤M≤10；32—分束组件，321—固定相位延迟片，322—分束合束器；40—稳频组件，401、402—A型、B型稳频组件；411—样品吸收池，412—光电探测器；50—光纤耦合器组件，51、52……5K—第1、2……K光纤耦合器，K是自然数，1≤K≤13；其它：a—导热-散热器件；b—激光功率放大器；c—过孔。具体实施方式下面结合附图和实施例详细说明：一、总体如图1，本系统包含有主体框架10及设置在主体框架10上的激光发生组件20、调制分束组件30、稳频组件40、光纤耦合器组件50；激光发生组件20、调制分束组件30和光纤耦合器组件50依次交互，激光发生组件20的出射激光一部分经过调制分束组件30分成若干路光束并对各路光束的频率、强度进行调制控制，各路激光通过光纤耦合器组件50耦合进光纤并输出，最终得到原子干涉仪所需的所有激光；激光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于冷原子干涉仪的集成化光学系统，其特征在于：包含主体框架（10）及设置在主体框架（10）上的激光发生组件（20）、调制分束组件（30）、稳频组件（40）和光纤耦合器组件（50）；激光发生组件（20）、调制分束组件（30）和光纤耦合器组件（50）依次交互，激光发生组件（20）的出射激光一部分经过调制分束组件（30）分成若干路光束并对各路光束的频率、强度进行调制控制，各路激光通过光纤耦合器组件（50）耦合进光纤并输出，最终得到原子干涉仪所需的所有激光；激光发生组件（20）和稳频组件（40）闭环交互，激光发生组件（20）的出射激光另一部分经过稳频组件（40）获得频率参考信号并反馈给激光发生组件（20）进行激光频率锁定与控制。

【技术特征摘要】
1.一种用于冷原子干涉仪的集成化光学系统，其特征在于：包含主体框架（10）及设置在主体框架（10）上的激光发生组件（20）、调制分束组件（30）、稳频组件（40）和光纤耦合器组件（50）；激光发生组件（20）、调制分束组件（30）和光纤耦合器组件（50）依次交互，激光发生组件（20）的出射激光一部分经过调制分束组件（30）分成若干路光束并对各路光束的频率、强度进行调制控制，各路激光通过光纤耦合器组件（50）耦合进光纤并输出，最终得到原子干涉仪所需的所有激光；激光发生组件（20）和稳频组件（40）闭环交互，激光发生组件（20）的出射激光另一部分经过稳频组件（40）获得频率参考信号并反馈给激光发生组件（20）进行激光频率锁定与控制。2.按权利要求1所述的集成化光学系统，其特征在于：所述的主体框架（10）由一整块材料通过浇铸或铣空加工而成，包含基板（11）、侧壁（12）和光学-电气接口（13）；一个基板（11）和两个侧壁（12）连成一体，截面呈“H”或“凹”字型，在基板（11）上设置有光学元件安装孔，使光学组件与器件安装于基板（11）的侧面，同时光束或电缆可以通过过孔（h）在基板（11）侧面之间传播，在侧壁（12）上设置有光学-电气接口（13）。3.按权利要求1所述的集成化光学系统，其特征在于：所述的激光发生组件（20）包含两种结构：A型激光发生组件（201）或B型激光发生组件（202）；A型激光发生组件（201）包含激光器（21）、A型双频激光发生组件（2201），激光器（21）包含第1、2……N激光器（211、212……21N），N是自然数，1≤N≤5，A型双频激光发生组件（2201）包含依次交互的A型双频激光发生器（221）、压控相位延迟器（222）和检偏器（223）；其光路是：第1、2激光器（211、212）出射的激光经过A型双频激光发生器（221）合束得到一束双频激光，再依次经过压控相位延迟器（222）和检偏器（223），得到一束偏振方向相同的双频激光；B型激光发生组件（202）包含激光器（21）、B型双频激光发生组件（2202），B型双频激光发生组件（2202）包含依次交互的B型双频激光发生...

【专利技术属性】
技术研发人员：张小伟，仲嘉琪，汤彪，陈曦，朱磊，王谨，詹明生，
申请(专利权)人：中国科学院武汉物理与数学研究所，
类型：发明
国别省市：湖北,42